CN115077634B - 一种空气流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于管道气流流量测量技术领域，具体涉及一种空气流量测量方法，测量精度高、抗干扰能力强，受外界环境的影响因素小，连续采样获得的数据在预估值与观测值之间进行方差计算，基于数据测量的高斯分布，建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，使测量结果更加接近真实值；并且可以适用于非稳定工况及稳定工况的数据测量，尤其是在非稳态测量中出现数据波动较大的情况下确保测量的精确度。
Description
技术领域
本发明属于管道气流流量测量技术领域，具体涉及一种空气流量测量方法。
背景技术
现有技术下，管道气流流量的测量往往直接采用热膜式、热线式和超声波式的空气流量计，这些流量计容易受到受灰尘、空气湿度和温度、传感器老化和传感器线性偏差的影响，抗干扰能力较弱，测量精度和重复一致性较差，并且在非稳定工况下适用性较差。
发明内容
发明要解决的技术问题在于克服现有技术中管道气流测量抗干扰能力弱、测量精度和重复一致性差并且在非稳定工况下适用性较差的缺陷，从而提供一种空气流量测量装置和方法。
一种空气流量测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据气体的温度和湿度计算气体的密度；
步骤S2：根据待测管段第一分段和第二分段的两段的截面积和气压值，计算第二分段的气体流速计算值，并计算第二分段的气体流量估算值；
步骤S3：根据第二分段的气体流速测量值和第二分段的截面积，计算第二分段的气体流量测量值；
步骤S4：根据第一分段的和第二分段的两段的气压值的多个监测样本，分别计算气体流量估算值，并计算气体流量估算值的算术平均值、方差和标准差；
步骤S5：同理，根据气体流速测量值的多个监测样本，分别计算气体流量测量值，并计算气体流量测量值的算术平均值、方差和标准差；
步骤S6：根据气体流量估算值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量估算值，并计算气体流量估算值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
步骤S7：同理，根据气体流量测量值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量测量值，并计算气体流量测量值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
步骤S8：建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，引入迭代增益，并根据迭代增益、气体流量测量值的算术平均值和估算值的算术平均值，递归修正新的气体流量估算值的算术平均值。
进一步的，所述步骤S2：根据待测管段第一分段和第二分段的两段的截面积和气压值，计算第二分段的气体流速计算值，并计算第二分段的气体流量估算值，包括：
根据连续性方程和伯努利方程： 其中第一分段和第二分段的截面积分别记为A1、A2，气体流速分别记为V1、V2，气压值分别记为P1、P2，中心线高度分别记为h1、h2，气体密度记为ρ；
可得气体流速计算值其中Δp为两个分段的压力差，Δh为两个分段的高度差；
计算气体流量估算值Q＝A2*V2。
进一步的，所述步骤S4：根据第一分段的和第二分段的两段的气压值的多个监测样本，分别计算气体流量估算值，并计算气体流量估算值的算术平均值、方差和标准差，包括：
计算气体流量估算值的算术平均值
计算气体流量估算值的方差
计算气体流量估算值的标准差
其中Q1表示计算气体流量估算值的第一个样本，Qm表示计算气体流量估算值的第m个样本，m表示样本数量。
进一步的，所述步骤S6：根据气体流量估算值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量估算值，并计算气体流量估算值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差，包括：
建立置信区间其中μ为气体流量估算值的算术平均值/>σ为气体流量估算值的标准差SQ，m代表样本数量，c为预设的标准分数，L为与标准分数对应的置信水平；
计算置信区间内样本流量估算值的算术平均值
计算置信区间内样本流量估算值的估算值方差
计算置信区间内样本流量估算值的估算值标准差
进一步的，所述步骤S8：建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，引入迭代增益，并根据迭代增益、气体流量测量值的算术平均值和估算值的算术平均值，递归修正新的气体流量估算值的算术平均值包括：
根据置信区间内样本流量估算值的估算值方差和测量值方差/>取值滤波增益值F，并且/>
递归修正新的气体流量估算值的算术平均值
进一步的，还包括以下步骤：根据测得的气体流量，标定空气流量计，并通过对比分析，得出空气流量计的精度与重复一致性。
进一步的，所述样本数量m取值为100～500个。
进一步的，所述标准分数c的取值为1.96，并对应置信水平L为95％。
一种空气流量测量装置，包括：
大气环境站，所述大气环境站安装在待测管段的入口处，用于监测入口气流的温度和湿度；
风速仪，所述风速仪安装在待测管段的出口处，用于监测出口气流的风速；
微压计，两个所述微压计分别连接待测管段两段不同内径的分段，用于监测两段不同内径的分段的气压；
数采设备前端，用于将大气环境站和风速仪采集的模拟量数据转换为数字量数据；
上位机，用于从数采设备前端获取转换的数字量数据，从微压计获取气压数据，并分析计算待测管道的气体流量。
进一步的，还包括相机，两台所述相机分别拍摄两个所述微压计，并将拍摄所得照片发送至所述上位机，所述上位机对所述照片进行图像识别获得所述微压计气压值读数。
有益效果：
1.本发明提供的一种空气流量测量方法测量精度高、抗干扰能力强，受外界环境的影响因素小，连续采样获得的数据在预估值与观测值之间进行方差计算，基于数据测量的高斯分布，建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，使测量结果更加接近真实值；并且可以适用于非稳定工况及稳定工况的数据测量，尤其是在非稳态测量中出现数据波动较大的情况下确保测量的精确度。
2.本发明提供的一种空气流量测量方法还可以对其他类型的流量测量装置进行标定，分析测量偏差和测量不确定度。
3.本发明提供的一种空气流量测量装置，通过微压计、风速仪、大气环境站、微压计、数采设备前端和上位机的配合设置，能够实现不同工况下进气流量标定，结构紧凑，抗干扰能力强，易于实验室和检测机构使用。相比于热膜式、热线式和超声波式的空气流量计，该流量计及标定装置不会受灰尘、空气湿度和温度、传感器老化和传感器线性偏差的影响，可最大程度降低测量误差，提高测量精度和重复一致性；能够精确计算管道中气体的流量，为后端用气设备或空气流量计提供准确的流量结果，同时能够适应不同管道的气流状态，能够计算得出非稳态工况和稳态工况下的气体流量。
4.本发明提供的一种空气流量测量装置，通过相机拍摄微压计，上位机对所述照片进行图像识别获得所述微压计气压值读数，在确保获得微压计高精度数据的同时，能够确保数据有效转换为数字信号，方便了后续计算，提高了流量测量效率。
附图说明
图1为本发明的装置整体结构示意图；
图2为本发明的方法流程示意图。
附图标记：1、待测管段；2、大气环境站；3、风速仪；4、微压计；5、数采设备前端；6、上位机；7、相机。
具体实施方式
实施例1
参照图1所示，本实施例提供了一种空气流量测量装置，包括：
大气环境站2，所述大气环境站2安装在待测管段1的入口处，用于监测入口气流的温度和湿度；
风速仪3，所述风速仪3安装在待测管段1的出口处，用于监测出口气流的风速；
微压计4，两个所述微压计4分别连接待测管段1两段不同内径的分段，用于监测两段不同内径的分段的气压；两段不同内径的分段设置开口，并通过橡胶软管与所述微压计4相连；所述微压计4为U型微压计最小刻度为1mm，确保气压的精确监测。
数采设备前端5，用于将大气环境站2和风速仪3采集的模拟量数据转换为数字量数据；
上位机6，用于从数采设备前端5获取转换的数字量数据，从微压计4获取气压数据，并分析计算待测管道的气体流量；所述上位机6为高性能的计算机，数采设备前端5通过CAN总线与上位机6连接，确保数据高速传输以及有效快速分析计算。
还包括相机7，两台所述相机7分别拍摄两个所述微压计4，并将拍摄所得照片发送至所述上位机6，所述上位机6对所述照片进行图像识别获得所述微压计4气压值读数；所述相机7为彩色相机，通过网线连接所述上位机6并传输拍摄的照片，确保微压计4的读数被有效读取。
所述相机7拍摄微压计4读数的频率为10Hz，风速仪3和大气环境站2通过数采设备前端5的采样频率为10Hz。
选择的待测管段1为平直的内壁光滑的金属管段，包括两段不同内径的分段，并且所述管段的中心线水平；避免因为管道的设置影响流量测量的准确性。
实施例2
参照图2所示，本实施例提供了一种空气流量测量方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据气体的温度和湿度计算气体的密度
空气的密度ρ∈(T，Rh)，通过查表法获得；
步骤S2：根据待测管段第一分段和第二分段的两段的截面积和气压值，计算第二分段的气体流速计算值，并计算第二分段的气体流量估算值：
根据连续性方程和伯努利方程： 其中第一分段和第二分段的截面积分别记为A1、A2，气体流速分别记为V1、V2，气压值分别记为P1、P2，中心线高度分别记为h1、h2，气体密度记为ρ；
可得气体流速计算值其中Δp为两个分段的压力差，所述压力差与大气压无关，是两个分段气压的相对值；Δh为两个分段的高度差，预设两个分段中心线为同一高度，因此Δh＝0；
计算气体流量估算值Q＝A2*V2。
步骤S3：根据第二分段的气体流速测量值V2z和第二分段的截面积，计算第二分段的气体流量测量值：QZ＝A2*V2z。
步骤S4：根据第一分段的和第二分段的两段的气压值的多个监测样本，分别计算气体流量估算值，并计算气体流量估算值的算术平均值、方差和标准差；
采集20s的试验数据，采样频率为10Hz，样本数量为200；
计算气体流量估算值的算术平均值
计算气体流量估算值的方差
计算气体流量估算值的标准差
其中Q1表示计算气体流量估算值的第一个样本，Qm表示计算气体流量估算值的第m个样本，m表示样本数量。
步骤S5：同理，根据气体流速测量值的多个监测样本，分别计算气体流量测量值，并计算气体流量测量值的算术平均值、方差/>和标准差SQZ；
步骤S6：根据气体流量估算值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量估算值，并计算气体流量估算值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
建立置信区间其中μ为气体流量估算值的算术平均值/>σ为气体流量估算值的标准差SQ，m代表样本数量，c＝1.96为预设的标准分数，L＝95％为与标准分数对应的置信水平；
计算置信区间内样本流量估算值的算术平均值
计算置信区间内样本流量估算值的估算值方差
计算置信区间内样本流量估算值的估算值标准差
步骤S7：同理，根据气体流量测量值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量测量值，并计算气体流量测量值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
步骤S8：建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，引入迭代增益F，并根据迭代增益、气体流量测量值的算术平均值和估算值的算术平均值，递归修正新的气体流量估算值的算术平均值。
根据置信区间内样本流量估算值的估算值方差和测量值方差/>取值滤波增益值F，并且/>
递归修正新的气体流量估算值的算术平均值
能够看出，如果估值太小，新的估计值会加上一个量/>如果/>估值太大，新的估计值会减去一个量/>从而确保新的估计值比现有值准确，多次递归修正气体流量估算值的算术平均值就会越来越准确。
并且防脉冲干扰平均滤波法计算的数值更倾向于测量或者估算结果更稳定一组的方差。同时，由于是递归估算结果，适应于稳态工况与非稳态工况。非稳态工况下的修正会依赖于估算值与/>在样本数量下的方差情况，方差越小的将会更加接近真实测量结果。
还包括以下步骤：根据测得的气体流量，标定空气流量计，并通过对比分析，得出空气流量计的精度与重复一致性。
将两种测量的流量值进行公示迭代计算出稳定工况下的流量结果，可以精确的标定热膜式、热线式和超声波式的空气流量计，并且通过对比分析，能够得出上述仪器测量的精度与重复一致性；
对于非稳态工况，管道内气流组织复杂，压差法的计算将会呈现较大的波动，95％置信区间内的数据将容易将脉冲情况下的数据剔除，保证数值选取的合理性，通过滤波迭代计算，测量结果更加趋近与测量值稳定的一方；并且由于采用迭代滤波计算，任何时刻的采集数据结果将是此刻前20秒的数据进行置信区间计算，提取2σ区间的数据进一步进行均值、方差和标准差计算，最后通过测量值与压差估算值之间的对比递归，获得流量的实验结果。
这种测量方法测量精度高、抗干扰能力强，受外界环境的影响因素小，连续采样获得的数据在预估值与观测值之间进行方差计算，基于数据测量的高斯分布，建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，使测量结果更加接近真实值；并且可以适用于非稳定工况及稳定工况的数据测量，尤其是在非稳态测量中出现数据波动较大的情况下确保测量的精确度。
Claims (4)
1.一种空气流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据气体的温度和湿度计算气体的密度；
步骤S2：根据待测管段第一分段和第二分段的两段的截面积和气压值，计算第二分段的气体流速计算值，并计算第二分段的气体流量估算值；
步骤S3：根据第二分段的气体流速测量值和第二分段的截面积，计算第二分段的气体流量测量值；
步骤S4：根据第一分段的和第二分段的两段的气压值的多个监测样本，分别计算气体流量估算值，并计算气体流量估算值的算术平均值、方差和标准差；
步骤S5：同理，根据气体流速测量值的多个监测样本，分别计算气体流量测量值，并计算气体流量测量值的算术平均值、方差和标准差；
步骤S6：根据气体流量估算值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量估算值，并计算气体流量估算值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
步骤S7：同理，根据气体流量测量值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量测量值，并计算气体流量测量值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差；
步骤S8：建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，引入迭代增益，并根据迭代增益、气体流量测量值的算术平均值和估算值的算术平均值，递归修正新的气体流量估算值的算术平均值；
所述步骤S2：根据待测管段第一分段和第二分段的两段的截面积和气压值，计算第二分段的气体流速计算值，并计算第二分段的气体流量估算值，包括：
根据连续性方程和伯努利方程：A1*V1＝A2*V2， 其中第一分段和第二分段的截面积分别记为A1、A2，气体流速分别记为V1、V2，气压值分别记为P1、P2，中心线高度分别记为h1、h2，气体密度记为ρ；
可得气体流速计算值其中Δp为两个分段的压力差，Δh为两个分段的高度差；
计算气体流量估算值Q＝A2*V2；
所述步骤S4：根据第一分段的和第二分段的两段的气压值的多个监测样本，分别计算气体流量估算值，并计算气体流量估算值的算术平均值、方差和标准差，包括：
计算气体流量估算值的算术平均值
计算气体流量估算值的方差
计算气体流量估算值的标准差
其中Q1表示计算气体流量估算值的第一个样本，Qm表示计算气体流量估算值的第m个样本，m表示样本数量；
所述步骤S6：根据气体流量估算值的算术平均值和标准差，通过2σ区间法，去除置信区间以外的气体流量估算值，并计算气体流量估算值在置信区间内的算术平均值、方差和标准差，包括：
建立置信区间其中μ为气体流量估算值的算术平均值/>σ为气体流量估算值的标准差SQ，m代表样本数量，c为预设的标准分数，L为与标准分数对应的置信水平；
计算置信区间内样本流量估算值的算术平均值
计算置信区间内样本流量估算值的估算值方差
计算置信区间内样本流量估算值的估算值标准差
所述步骤S8：建立防脉冲干扰平均滤波法递归模型，引入迭代增益，并根据迭代增益、气体流量测量值的算术平均值和估算值的算术平均值，递归修正新的气体流量估算值的算术平均值包括：
根据置信区间内样本流量估算值的估算值方差和测量值方差/>取值滤波增益值F，并且/>
递归修正新的气体流量估算值的算术平均值
2.根据权利要求1所述的一种空气流量测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：根据测得的气体流量，标定空气流量计，并通过对比分析，得出空气流量计的精度与重复一致性。
3.根据权利要求1所述的一种空气流量测量方法，其特征在于，所述样本数量m取值为100～500个。
4.根据权利要求1所述的一种空气流量测量方法，其特征在于，所述标准分数c的取值为1.96，并对应置信水平L为95％。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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